硬巖金屬礦自然崩落法開采中礦巖預處理技術(shù)研究

劉育明，李 文，陳小偉，夏長念，范文錄，顧秀華

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.中國有色工程有限公司，北京 100038； 3.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

1 前言

自然崩落采礦法(Block Caving Method)自1895年在美國的一座鐵礦山試驗成功以來，經(jīng)過120多年的不斷發(fā)展，目前已在美國、加拿大、澳大利亞、智利、南非、中國等20多個國家的50多座礦山中成功應用[1]。在礦產(chǎn)品需求持續(xù)旺盛及礦山機械、信息化技術(shù)逐步提升的背景下，智能化大規(guī)模采礦(Intelligence Mass Mining)將是未來地下礦山的發(fā)展方向。自然崩落采礦法的鉆爆采切工程量少，底部結(jié)構(gòu)一旦形成即可連續(xù)出礦，因其生產(chǎn)能力大、成本低且容易實現(xiàn)機械化、智能化開采等優(yōu)勢逐漸受到金屬采礦業(yè)的更多關(guān)注[2]，已成為國外開采厚大低品位礦體的首選采礦方法，是唯一能與露天開采相媲美的地下大規(guī)模采礦方法[3]。

自然崩落采礦法的實現(xiàn)與礦巖條件有著極大的關(guān)系，實施效果受礦巖可崩性(Caveability)[4]決定。早期業(yè)界認為自然崩落采礦法僅適用于礦體松軟破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的礦山，隨著國外一些礦巖條件較好的硬巖礦山(如智利的El Teniente礦、美國的Henderson礦、澳大利亞的Northparkes礦等)成功應用自然崩落法，使得該方法的適用范圍進一步擴大。在這些硬巖金屬礦山中自然崩落法能夠成功應用的關(guān)鍵很大程度上依賴于礦巖預處理(Pre-conditioning)[5]技術(shù)。目前礦巖預處理在國內(nèi)自然崩落法礦山中還沒有應用研究的報道，國外一些礦山已開展了相關(guān)研究，在改善礦巖可崩性、降低破碎塊度、減小礦震發(fā)生頻次等級等方面取得了較好的效果。隨著自然崩落采礦法在國內(nèi)礦山應用的增多，未來礦巖預處理技術(shù)方面的需求將逐漸增多，因此需要研究礦巖預處理技術(shù)并探索適用于我國礦山條件的技術(shù)方案。

為了促進礦巖預處理技術(shù)在我國硬巖金屬礦自然崩落法開采過程中的成功應用，本文將在對國外礦巖預處理技術(shù)研究及應用情況進行調(diào)研、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)礦山開采研究現(xiàn)狀提出針對我國硬巖金屬礦山自然崩落法開采過程中礦巖預處理的研究思路、工藝方案及效果評價完整體系。

2 自然崩落采礦法應用現(xiàn)狀

自然崩落采礦法發(fā)源于美國密歇根州北部的鐵礦山，隨后在世界范圍內(nèi)得到了推廣應用。表1中列出了國內(nèi)外自然崩落法典型礦山。早期自然崩落采礦法主要用于開采松軟破碎礦體，后來逐漸擴大到中等穩(wěn)固以上、節(jié)理中等發(fā)育、應力大的堅硬礦體[6]，尤其是厚大低品位硬巖金屬礦山。例如：我國的銅礦峪銅礦和普朗銅礦、澳大利亞的Cadia East礦和Northparkes礦、美國的Henderson礦、智利的ElSalvador礦和El Teniente礦等。目前已有包括金、銅、金剛石、鉬、鐵、鎳等多種礦物礦石采用自然崩落法進行開采[7]。隨著井下鑿巖、支護、運輸、誘導致裂等相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展，自然崩落采礦法的適用范圍將更加廣泛。

表1 國內(nèi)外大型自然崩落法典型礦山

我國20世紀60年代開始研究自然崩落采礦法，最早在易門銅礦獅子山坑和萊蕪馬莊鐵礦進行了試驗研究，隨后在金山店鐵礦、程潮鐵礦、豐山銅礦、鏡鐵山鐵礦、漓渚鐵礦和四川石棉一礦等開展了試驗研究[8]。20世紀80年代，銅礦峪銅礦引進電耙出礦的礦塊崩落法，于1989年底開始拉底，至2000年達到設(shè)計規(guī)模400萬t/a；二期工程于2013年全面投產(chǎn)并達產(chǎn)，采用無軌設(shè)備作業(yè)的高效連續(xù)自然崩落法開采，生產(chǎn)能力超過設(shè)計規(guī)模600萬t/a。自然崩落采礦法在銅礦峪銅礦的成功應用積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗。普朗銅礦位于云南省西北部迪慶藏族自治州香格里拉縣北東部，為一特大型斑巖銅礦，設(shè)計采用自然崩落法進行開采，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為1 250萬t/a，于2017年3月實現(xiàn)了試投產(chǎn)，礦山達產(chǎn)后將是現(xiàn)階段國內(nèi)生產(chǎn)能力最大的地下礦山[9]，自然崩落法在普朗銅礦的成功應用將大力提升我國采礦技術(shù)水平。

3 國內(nèi)外礦巖預處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 礦巖預處理概念

英國E.T.Brown教授在《Block Caving Geomechanics》[10]一書中對自然崩落法礦山中應用的礦巖預處理技術(shù)進行了定義描述，即礦巖預處理是一種(或一組)弱化自然崩落法礦山采場礦塊的人工措施，其目的是在礦體內(nèi)部制造人工裂隙改變礦體的結(jié)構(gòu)特征，增強礦體的可崩性使礦體保持持續(xù)穩(wěn)定崩落并達到期望的破碎塊度。

礦巖預處理技術(shù)不僅在自然崩落法礦山采場礦塊崩落開始前可以應用，對于一些礦山在崩落中期因成拱(Arching)效應[11]而中止發(fā)展時也可以采用預處理技術(shù)使殘留礦體繼續(xù)崩落，保障崩落過程的持續(xù)性。礦巖預處理技術(shù)的應用使得硬巖金屬礦山自然崩落法開采成為現(xiàn)實[12]。目前應用較多的礦巖預處理方法主要有兩種：水壓致裂法和鉆孔爆破致裂法。水壓致裂礦巖預處理技術(shù)在自然崩落法礦山中應用的更加廣泛，因其在成本方面相比傳統(tǒng)鉆爆法更加低廉。水壓致裂技術(shù)引自于石油工業(yè)領(lǐng)域，早在1947年美國的雨果頓油氣田就開展了儲層水力壓裂增透試驗研究，目前水力壓裂技術(shù)與水平井鉆進技術(shù)聯(lián)合[13]被廣泛應用于非常規(guī)油氣、頁巖氣的開發(fā)。通常水力壓裂作業(yè)包含以下過程[14]：①向目標區(qū)域鉆進深孔；②在鉆孔特定位置布設(shè)分隔器；③向分隔段注入高壓液體使孔壁巖體產(chǎn)生裂縫。

水壓致裂礦巖預處理過程中水力裂縫的形成受很多因素的影響，主要有注水壓力、巖石的物理力學性質(zhì)、原巖所處的地應力環(huán)境、天然節(jié)理裂隙等。圖1所示是兩種不同形式的水壓致裂面[14]。圖1a中水壓致裂鉆孔軸向與最小主應力方向垂直，多點壓裂后形成的將是擴展為平面形式的水壓致裂面；圖1b中的水壓致裂鉆孔軸向與最小主應力方向平行，多點壓裂后形成的將是間隔一定距離的水壓致裂面組。圖2所示是水壓致裂縫與礦體中原有天然裂隙間的相互關(guān)系示意圖[14]。圖2a中的水力裂隙與天然裂隙成平行關(guān)系；而圖2b中的水力裂隙與天然裂隙成相交模式。由此可見，天然裂隙與人工裂隙交叉切割礦體，有利于礦體破碎成較小的塊度，這種結(jié)果是自然崩落礦山礦巖預處理所期望的效果。

圖1 不同形式的水壓致裂縫(面)示意圖

圖2 水力壓裂縫與天然裂隙關(guān)系示意圖

3.2 國外礦山礦巖預處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)自然崩落法開采礦山還沒有開展礦塊預處理研究的經(jīng)驗，國外一些礦山已開展了礦巖預處理研究，例如澳大利亞Cadia East礦[5]和Northparkes礦[15]，智利的Salvador礦[16]以及El Teniente礦[17]等，在增強礦巖可崩性、減小二次破碎工程量、降低礦震量級等方面取得了較好的效果。以下是兩個國外礦山的案例，通過案例分析可以了解國外自然崩落法礦山在礦巖預處理技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀。

3.2.1 澳大利亞Cadia East礦

Cadia East礦歸屬于紐克雷斯特礦業(yè)(Newcrest Mining)下屬的卡迪亞河谷公司Cadia Valley Operations(CVO)，設(shè)計采用盤區(qū)崩落采礦法進行開采，由PC1和PC2兩個盤區(qū)構(gòu)成。PC1盤區(qū)位于地表以下大約1 200m，PC2盤區(qū)大約在地表以下1 450m。兩個盤區(qū)同時開采，總的可采量大約為1 073Mt，其中Au的品位為0.60g/t，Cu的品位為0.32%。

根據(jù)Cadia East礦區(qū)復雜條件以及設(shè)計的采礦方法及參數(shù)，礦塊高度將超過400m，為了滿足設(shè)計產(chǎn)能的需求，需要合理的方式來管理崩落發(fā)生、崩落速率以及崩落傳播、破碎塊度。Cadia East礦在PC1- S1礦體采用了一種強化預處理方案，見圖3，即下向孔水壓致裂與上向孔爆破致裂相結(jié)合的方法。在拉底工程開始之前進行，目的是對全礦塊進行礦巖預處理。

在Cadia East礦開展這種全礦塊預處理的優(yōu)勢在于：崩落傳播速率可提高30%；崩落礦巖破碎塊度大塊率(<2m3)可降低20%；礦震發(fā)生次數(shù)多，但量級降低；崩落的前鋒應力降低；可縮短達產(chǎn)時間，3～4年就可達到22Mt/a。

3.2.2 智利埃爾特尼恩特礦(El Teniente)

埃爾特尼恩特(El Teniente)礦的開發(fā)始于1982年，礦石銅品位低、強度高、破碎性和可崩性一般，是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的地下銅礦山。在復雜的高應力地質(zhì)環(huán)境中進行采礦活動，引發(fā)了片幫、垮塌及巖爆等巖體穩(wěn)定性問題。埃爾特尼恩特礦在借鑒其他礦山經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用水壓致裂礦巖預處理后最大的礦震量級不超過2.1。2010年以后在傳統(tǒng)拉底方法的基礎(chǔ)上增加了水壓致裂方法，見圖4，充分利用水壓致裂礦巖預處理技術(shù)改善巖體條件，增強礦巖可崩性，使采動應力對礦柱的影響降低，減小了礦震災害的發(fā)生[18]。

4 礦巖預處理研究路線及實施方案

我國雖然還沒有將礦巖預處理技術(shù)應用于金屬礦崩落法礦山的實際案例，但這種需求是較多的，如銅礦峪銅礦的深部、一些鐵礦山等，一旦成功應用，將有利于推動自然崩落法在硬巖礦山的應用。在總結(jié)分析國外礦山經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，筆者提出了針對我國礦山開展礦巖預處理研究流程圖，見圖5所示。

圖3 Cadia East礦PC1- S1礦體強化預處理示意圖[5]

圖4 El Teniente礦原生礦2010年前后開采方法的變化示意圖

圖5 自然崩落法礦山礦巖預處理研究流程圖

針對以上研究流程，對每一個過程的具體實施提出相應的方案如下。

(1)礦山巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查。巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查是開展與巖體相關(guān)工程研究必須開展的基礎(chǔ)性工作之一。對于地下工程，通常揭露地下巖體的方式主要有鉆孔和巷道。通過鉆孔方式，可以對鉆孔巖芯進行編錄，同時可采用鉆孔攝像系統(tǒng)、鉆孔聲波測試系統(tǒng)對巖體結(jié)構(gòu)進行觀(探)測。通過巷道方式，可以采用傳統(tǒng)人工測線法、統(tǒng)計窗法，也可以借助現(xiàn)代測試設(shè)備如三維激光掃描、3GSM等進行測試分析。通過對巖體結(jié)構(gòu)面的基距、產(chǎn)狀、持續(xù)性、張開度、粗糙度、充填或膠結(jié)情況、風化或蝕變程度、滲水情況等進行調(diào)查，然后基于數(shù)理統(tǒng)計方法對調(diào)查結(jié)果分別進行整理、統(tǒng)計和分析，得出礦巖體中優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、發(fā)育情況及特性。

(2)礦巖物理力學參數(shù)測試。巖石(體)物理力學參數(shù)是開展巖體工程研究的重要參數(shù)之一，對于礦巖穩(wěn)定性、可鉆性、可爆性以及可崩性等評價具有重要意義。通常采用鉆孔巖芯進行室內(nèi)加工制作標準巖石試樣，然后采用壓力試驗機等裝置開展相關(guān)的參數(shù)測試，巖石物理力學試驗過程嚴格按照國際巖石力學協(xié)會提出的相關(guān)標準執(zhí)行。巖體相關(guān)參數(shù)可根據(jù)前人提出的經(jīng)驗公式進行評估。

(3)礦區(qū)地應力測量。地應力是巖體所處的地質(zhì)環(huán)境中的重要因素，地應力測量工作也是巖體工程研究的重要基礎(chǔ)性工作之一。目前地應力測量方法主要有水壓致裂法、套孔應力解除法、聲發(fā)射法等。

(4)礦巖可崩性評價。礦巖可崩性評價是判斷是否可以采用自然崩落法開采必須開展的一項工作，礦巖可崩性評價結(jié)果的準確性嚴重影響著后期采礦方法的應用效果。目前在可崩性評價方面已有專業(yè)軟件，可充分考慮巖體結(jié)構(gòu)特性、各種工程參數(shù)等因素得出可崩性評價結(jié)果。在開展礦巖預處理后，還將加入預處理結(jié)果進行綜合可崩性評價。

(5)礦巖預處理方案設(shè)計。礦巖預處理目前廣泛采用的方法有兩種，即水壓致裂法和鉆爆致裂法，兩種方法可單獨使用也可聯(lián)合使用。水壓致裂法即通過向目標區(qū)域鉆進深孔，隔段注入致裂液加壓使巖體產(chǎn)生裂縫并擴展，壓裂液可以是純水、水溶液或其他液態(tài)介質(zhì)，壓裂液中可含或不含支撐劑；鉆爆致裂法即在鉆孔中放置炸藥爆破使巖體產(chǎn)生破裂。根據(jù)礦巖條件選用預處理方法并開展相應的方案設(shè)計。鉆孔形式可以是水平孔、豎直孔、傾斜孔；鉆孔布置可以是矩形、梅花形或根據(jù)具體巖體條件調(diào)整；具體參數(shù)可根據(jù)礦巖體條件、預處理方法以及仿真結(jié)果適當調(diào)整。

(6)礦巖預處理數(shù)值仿真。數(shù)值模擬手段是現(xiàn)階段巖體工程研究中的重要手段之一，與理論研究、試驗研究具有同等重要性。礦巖預處理數(shù)值仿真可通過常用巖土工程分析軟件，如FLAC、PFC、UDEC、RFPA等開展二維或三維數(shù)值仿真試驗，對礦巖預處理方案進行超前驗證，并可根據(jù)仿真結(jié)果提出優(yōu)化方案。

(7)礦巖預處理現(xiàn)場實施?，F(xiàn)場礦巖預處理實施主要包括開拓相關(guān)巷道或硐室、現(xiàn)場礦巖預處理作業(yè)、現(xiàn)場監(jiān)測作業(yè)以及相關(guān)的安全保障措施。

(8)現(xiàn)場壓裂過程監(jiān)測。礦巖預處理效果的好壞直接關(guān)系礦體能否自然崩落。目前在巖體工程中應用較多的監(jiān)測手段主要有微震監(jiān)測、電磁監(jiān)測、測斜儀監(jiān)測等。通過監(jiān)測結(jié)果，可以對礦巖預處理產(chǎn)生的裂縫方位、擴展范圍等情況進行分析評價。

5 結(jié)論

礦巖預處理是硬巖自然崩落法礦山在開采過程中為有效增強礦巖可崩性、減小崩落礦石塊度、降低礦震等級等開展的一項重要工作。考慮到國內(nèi)礦山及學者在這方面的研究還較少，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了礦巖預處理研究的技術(shù)路線，包括礦巖結(jié)構(gòu)調(diào)查、地應力測量、礦巖可崩性評價、礦巖預處理方案設(shè)計、數(shù)值仿真驗證優(yōu)化、現(xiàn)場實施及過程監(jiān)測，該研究思路和方案可供國內(nèi)礦山企業(yè)和采礦學者借鑒參考。

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